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Nano Res.[能源]│受花瓣表面微结构启发,实现基于PDMS-MXene/明胶材料的仿生高性能摩擦纳米发电机设计

本篇文章版权为王泽坤所有,未经授权禁止转载。


背景介绍


随着技术的进步和社会的发展,可穿戴智能电子产品已经应用在我们生活的各个方面,如医疗保健、电子皮肤,人机交互,能量获取等方面。然而,可穿戴智能电子设备的长期能源供应一直是一个难以解决的问题。在可穿戴智能电子产品中,由于电池容量有限,体积大,灵活性弱,充电频繁,使之成为向智能化、小型化和长期使用的障碍。因此,想要发展具有广泛适用性的能量供应单元,小型化、灵活性和长期能源供应仍然是可穿戴电子产品面临的巨大挑战。


成果简介


中北大学薛晨阳教授团队提出了一种受花瓣表面微观结构启发的PDMS-MXene/明胶摩擦电纳米发电机(PMMG-TENG),具有高输出性能、低成本和生态友好性的优点。制备了具有花瓣表面微观结构的明胶膜作为正摩擦材料,并采用掺杂MXene材料的图案化PDMS作为负摩擦材料。通过在PDMS中掺杂0.03wt.%的MXene材料,可以使TENG的输出电性能可以显著提高,输出电流增加高达139.7%。并使用四种不同的花瓣作为天然模具来制备PMMG-TENG。结果表明,具有芍药花瓣表面微结构的PMMG-TENG具有最佳的电学性能,与没有结构的PMMG-TENG相比,输出电流增加了228.17%。具有芍药花瓣表面微观结构的PMMG-TENG表现出优异的电气性能,在3cm×3cm的尺寸下,最大开路电压为417.39V,最大短路电流为12.01μA,在107Ω的负载电阻下,最大功率密度为170μW/cm2。并且,明胶薄膜表现出优异的降解性能,在75°C的恒温条件下,在水中的完全降解时间仅为150秒。PMMG-TENG不仅在能量收集方面表现出色,而且在自供电人体运动状态监测传感方面也很有用。该PMMG-TENG集成了自供电和传感功能,有望应用于自供电可穿戴设备和自供电医疗监测传感。


图文导读


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图1PMMG-TENG的制作过程


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图2工作原理和仿真分析


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图3具有PDMS-MXene薄膜的PMMG-TENG进行测试与表征


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图4 花瓣表面微观结构的分析与性能验证


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图5具有芍药花瓣表面微结构的PMMG-TENG进行性能测试与分析


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图6PMMG-TENG的应用实践


作者简介


中北大学仪器与电子学院2022级硕士研究生王泽坤为第一作者,郝聪聪老师为通讯作者。

中北大学薛晨阳教授团队长期致力于MEMS传感器与动态测试相关应用研究,主要的研究方向包括:(1) 复杂环境振动微能源收集技术与应用;(2) 光学原位传感器与燃烧流场测试技术;(3) 智慧中医诊疗与心肺音健康监测仪器;(4) 海洋环境参量传感器与海洋观测仪器。
热烈欢迎对电子科学技术、测控、微电子学、光学及仪器科学技术感兴趣的本科生、研究生、博士后加入薛晨阳教授课题组。
课题组网站:http://xlabhub.com/Default.aspx

第一作者,王泽坤,wangzekun0503@163.com,山西省太原市尖草坪区中北大学。


文章信息


Wang Z, Hao C, Cai M, et al. A highoutput PDMS-MXene/gelatin triboelectric nanogenerator with the petal surface-microstructure. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6352-0.




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